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Académie de Créteil

EPI Corps, santé, bien-être, sécurité

Cycle 4 Sciences de la Vie et de la Terre/Technologie/Mathématiques/EPS

Rénal ESTAVOYER, professeur de SVT au collège De La Pléiade à 93 SEVRAN

Mohammed MESMOUDI, professeur de mathématiques au collège Jacques-Yves COUSTEAU à 77 BUSSY-SAINT-GEORGES

Adrien LAKOMY, professeur de technologie au collège Adolphe CHERIOUX à 94 VITRY-SUR-SEINE

EPI « Demi-fond »

Problématique : Comment construire un projet d'entraînement individuel qui permet la mise en œuvre d'un projet de demi-fond performant?

Présentation de l’EPI DESCRIPTION SYNTHÉTIQUE DU PROJET ET PROBLÉMATIQUE CHOISIE

« A la fin du trimestre, vous devrez réaliser dans le cadre de l’EPS une épreuve de demi-fond. Vous avez 3 mois pour vous y préparer afin d’être le plus performant possible tout en préservant votre santé et sans dépasser les limites de votre organisme. »

Dans le cadre de ce projet, les élèves devront mobiliser des compétences en mathématiques et SVT pour construire un projet de demi-fond et un programme d'entraînement adapté à leur organisme. Le suivi de la fréquence cardiaque nécessitera la réalisation en technologie d’un cardiofréquencemètre. La programmation de l’objet sera créée en mobilisant des compétences de technologie et de mathématiques. Problématique : Comment construire un projet d'entraînement adapté à mon organisme qui me permet de mettre en œuvre un projet de course en demi-fond performant?

Le défi à relever : Vous devez construire un projet de demi-fond et un programme de préparation adapté à

votre organisme.

TEMPORALITÉ DE L’EPI (DURÉE, FRÉQUENCE, POSITIONNEMENT DANS L’ANNÉE…)

EPI sur 1 trimestre :

- 1 séance par semaine en EPS ;

- 4 séances en co-intervention ;

- 8 séances en SVT ;

- 4 séances en mathématiques ;

- 18 séances en technologie.

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- Les compétences travaillées

Domaines du socle et éléments signifiants

Principales compétences travaillées

Descripteurs ou contextes

D1 Ecrire Pratiquer des langages Réaliser à l’écrit un compte-rendu organisé du travail mené. La réponse au problème est développée et argumentée. Le vocabulaire scientifique est utilisé à bon escient. Le texte est écrit dans une langue globalement correcte.

S’exprimer à l’oral et à l'écrit.

Communiquer Décrire à l'oral ou à l'écrit sa démarche, son raisonnement, un calcul, un protocole.

Utiliser les nombres pour comparer, calculer et

résoudre des problèmes.

Exprimer une grandeur mesurée ou calculée

dans une unité adaptée Représenter l'espace.

Modéliser, calculer

- Résoudre des problèmes de proportionnalité. - Lire des données sous formes de tableau, de graphique. - Tableaux, représentations graphiques. - Grandeurs et mesures. - Calculer avec des grandeurs mesurables ; exprimer les résultats dans

les unités adaptées. - Résoudre des problèmes modélisés par des fonctions. - Mener des calculs impliquant des grandeurs mesurables.

Utiliser l’algorithme et la programmation pour

créer des applications simples.

Comprendre, s’exprimer en utilisant les langages

mathématiques, scientifiques et informatiques

- Ecriture d’un algorithme ou d’un programme ; - Compréhension d’un algorithme donné ; - Transformer un algorithme ou un programme pour obtenir un résultat

différent ; - Tests et validation d’un programme dans un système.

D 2

Organiser son travail personnel

Mobiliser des outils numériques pour

apprendre, échanger, communiquer.

Chercher, Raisonner, modéliser.

-Recueillir des données et les organiser. -Traiter les informations collectées, organiser, mémoriser. -Tableur.

D 4 Mener une démarche scientifique, résoudre un

problème.

Chercher, raisonner, représenter, communiquer.

-Interpréter, représenter et traiter des données. -Mettre un problème en équation en vue de sa résolution. -Vérifier la vraisemblance d'un résultat, estimer son ordre de grandeur.

Pratiquer des démarches scientifiques (SVT),

Concevoir, créer, réaliser (SVT)

Proposer des hypothèses. Faire preuve d’imagination raisonnée afin de concevoir un protocole qui permet de tester les hypothèses. Mettre en place avec rigueur un protocole qui permet d’obtenir des résultats. Les résultats des mesures sont exploités afin de produire une réponse au problème scientifique. Faire preuve d’esprit critique en s’interrogeant sur les résultats obtenus et sur l’influence de facteurs non maîtrisés sur les résultats obtenus.

Modéliser et représenter des phénomènes et des objets

(Technologie).

Utilisation de dessins, de croquis, de schémas, de figures géométriques, de symboles propres aux disciplines.

Réaliser le prototype d’un objet

(Technologie).

Valider le fonctionnement d’un dispositif réalisé et en vérifier le bon fonctionnement ; utiliser des logiciels dédiés (simulation, acquisition, tableur, géométrie dynamique, etc.).

Concevoir des objets et systèmes

techniques.

Concevoir des objets simples, des éléments de programme informatique,

des protocoles biotechnologiques en réponse à un besoin

(Technologie).

Concevoir, améliorer, mettre en œuvre un protocole de réalisation à partir d’un cahier des charges en identifiant et en prenant en compte les contraintes.

Identifier des règles et des principes de responsabilité

individuelle et collective dans les domaines de la santé, de la sécurité, de

l’environnement.

Appliquer systématiquement et de manière autonome les

règles de sécurité

Port, de manière raisonnée, des équipements de protection individuelle.;

Exercer son esprit critique, faire preuve de réflexion et de discernement.

Pratiquer des démarches scientifiques.

Faire preuve d’esprit critique afin d’envisager l’influence de facteurs non maîtrisés sur les résultats.

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- Les éléments du programme

SVT Technologie Mathématiques EPS

Les attendus de fin de cycle

Thème : Le corps humain et la santé ● Expliquer quelques processus

biologiques impliqués dans le fonctionnement de l’organisme humain, jusqu’au niveau moléculaire : activités musculaire, nerveuse et cardio-vasculaire, activité cérébrale.

● Relier la connaissance de ces processus biologiques aux enjeux liés aux comportements responsables individuels et collectifs en matière de santé.

Thème: Design, innovation et créativité ● Imaginer des solutions en réponse

aux besoins, matérialiser une idée en intégrant une dimension design

● Réaliser, de manière collaborative, le prototype d’un objet communicant

Thème: La modélisation et la simulation des objets et systèmes techniques ● Analyser le fonctionnement et la

structure d’un objet ● Utiliser une modélisation et simuler

le comportement d’un objet Thème: L’informatique et la programmation Écrire, mettre au point et exécuter un programme

Thème : Organisation et gestion de données, fonctions

● Interpréter, représenter et

traiter des données. ● Résoudre des problèmes de

proportionnalité. ● Comprendre et utiliser la notion

de fonction. Grandeurs et mesures.

● Calculer avec des grandeurs mesurables. Exprimer les résultats dans les unités adaptées.

Thème : Algorithmique et programmation

● Écrire, mettre au point et exécuter un programme simple.

Thème: Produire une

performance optimale, mesurable à une échéance donnée ● Gérer son effort, faire des choix

pour réaliser la meilleure performance dans au moins deux familles athlétiques et/ou au moins de deux styles de nages.

● S’engager dans un programme de préparation individuel ou collectif.

Produire une performance optimale, mesurable à une échéance donnée

● Gérer son effort, faire des choix pour réaliser la meilleure performance dans au moins deux familles athlétiques et/ou au moins de deux styles de nages.

● S’engager dans un programme de préparation individuel ou collectif.

Connaissances et compétences associées

Expliquer comment le système nerveux et le système cardiovasculaire interviennent lors d’un effort musculaire, en identifiant les capacités et les limites de l’organisme (rythmes cardiaque et respiratoire, et effort physique).

Thème: Design, innovation et créativité ● Imaginer des solutions pour produire

des objets et des éléments de programmes informatiques en réponse au besoin.

● Présenter à l’oral et à l’aide de supports numériques multimédia des solutions techniques au moment des revues de projet.

● Réaliser, de manière collaborative, le prototype d’un objet pour valider une solution.

Thème: La modélisation et la simulation des objets et systèmes techniques ● Associer des solutions techniques à

des fonctions. ● Utiliser une modélisation pour

comprendre, formaliser, partager, construire, investiguer, prouver.

Thème: L’informatique et la programmation ● Analyser le comportement attendu

d’un système réel et décomposer le problème posé en sous-problèmes afin de structurer un programme de commande.

● Écrire, mettre au point (tester, corriger) et exécuter un programme commandant un système réel et vérifier le comportement attendu.

● Écrire un programme dans lequel des actions sont déclenchées par des événements extérieurs.

Thème : Organisation et gestion de données, fonctions

● Recueillir des données, les

organiser. ● Lire des données sous forme de

données brutes, de tableau, de graphique.

● Calculer des effectifs, des fréquences, des moyennes.

● Tableaux, représentations graphiques (diagrammes en bâtons, diagrammes circulaires, histogrammes).

Thème : Algorithmique et programmation

● Notion d’algorithme et de programme

● Ecrire, mettre au point (tester, corriger) et exécuter un programme en réponse à un problème donné.

Thème : Produire une performance op male, mesura le une échéance donnée

● Se préparer à l’e ort et s’entrainer pour progresser et se dépasser.

● liser des repères

e térieurs et des indicateurs physiques pour contr ler son déplacement et l’allure de son effort.

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CONTRIBUTION DE L’EPI AUX DIFFÉRENTS PARCOURS

Parcours santé Identifier et connaître les limites de son organisme, connaître son corps, échauffement et

protection de l’organisme.

Parcours citoyen S’engager sur des questions relevant de la santé et de la sécurité.

Modalités de mise en œuvre pédagogique

1. Le projet tel qu’expliqué aux élèves

« A la fin du trimestre, vous devrez réaliser dans le cadre de l’EPS une épreuve de demi-fond. Vous avez 3 mois pour vous y préparer afin d’être le plus performant possible tout en préservant votre santé et sans dépasser les limites de votre organisme. »

n brainstorming est mené à partir de cette phrase. Il permettra d’aborder les sensations ressenties lors d’un effort physique («lors d’un effort physique j’ai chaud, j’ai mal aux jambes, j’ai un point de côté, mon cœur bat vite, j’ai des difficultés à respirer ») et de mettre en évidence qu’il e iste des différences individuelles de performances et de sensations ressenties lors d’un effort physique. Le concept de performance sera questionné et mis en perspective avec les notions de risque et de limites de l’organisme. La nécessité de réaliser un programme d’entraînement et un projet de demi-fond adaptés à son organisme sera mise en avant.

Les élèves devront s’interroger sur ce qu’il faudra connaître pour réaliser le programme d'entraînement (son allure, ses capacités d’endurance, le niveau d’intensité de l‘effort à réaliser lors de l'entraînement…). Problématique : Comment construire un projet d'entraînement et de demi-fond qui permettent d’être le plus performant possible et sans risque pour sa santé ?

Le défi à relever : Vous devez construire un projet de demi-fond et un programme d'entraînement adaptés à

votre organisme, qui permettent d'être le plus performant possible et sans risque pour votre santé.

➔ Pour relever ce défi, vous devrez mobiliser des compétences scientifiques, technologiques, de mathématiques et d’EPS. Le projet de demi-fond et le programme d'entraînement devront être adaptés à votre organisme et doivent permettre de préserver votre santé.

➔ Vous tiendrez un carnet de bord du “scientifique-sportif” qui permettra de suivre, d'organiser et de planifier votre travail.

2. Modes d’interdisciplinarité

La mise en place d’une démarche scientifique en Sciences de la Vie et de la Terre permet de caractériser

les variations de la fréquence cardiaque à l’effort et de l’identifier comme un indicateur de l’intensité d’un effort

physique.

Les protocoles conçus en SVT, le programme d'entraînement et le projet de demi-fond, dont la

conception a mobilisé des compétences mathématiques et de Sciences de la Vie de la Terre, seront mis en place

en EPS.

En technologie, l’élève recherche des solutions techniques pour mesurer le rythme cardiaque à travers

une veille technologique. La démarche technologique permet de répondre au besoin de suivi de la fréquence

cardiaque par la réalisation d’un cardiofréquencemètre et des programmes nécessaires à son fonctionnement

(App inventor et Ardublock).

En mathématiques, un algorithme peut être créé pour calculer la fréquence cardiaque à partir des signaux

(pulsations) produits par le cardiofréquencemètre. La création d’une application avec App Inventor permet de

générer des listes de données exploitables sur un tableur pour calculer la fréquence cardiaque moyenne au repos

et pendant des efforts spécifiques (courses à vitesses stabilisées). Des graphiques reliant la fréquence cardiaque à

la puissance de l’effort peuvent être produits, analysés et e ploités en SVT.

Certaines séances peuvent être menées en co-intervention telles que :

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- séances EPS/SVT: mise en place des protocoles conçus en SVT (mesures de fréquences cardiaques

lors d’efforts dont l’intensité ou le temps d‘effort ont varié).

- séances SVT/Mathématiques: traitement statistique des mesures de fréquences cardiaques,

réalisation d’une modélisation mathématique pour déterminer la fréquence cardiaque maximale.

- séances Technologie/Mathématiques: réalisation de la programmation avec Ardublock et App

Inventor.

- séances EPS/SVT/Mathématiques/Technologie: séances pour structurer ce qui a été fait et appris,

séances pour préparer la soutenance orale.

3. Étapes de mise en œuvre ; progression envisagée

Carte heuristique des activités réalisables pour répondre à la problématique :

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Phase 1: Présentation des objectifs du projet.

Compétences travaillées : pratiquer des démarches scientifiques par la formulation de questions

et de problèmes scientifiques (domaine 4), mobiliser des méthodes pour apprendre en s’appropriant le

carnet de bord (domaine 2).

Une séance en co-intervention permettra de présenter le défi à relever et les modalités

d’organisation. Le carnet du “scientifique-sportif” est présenté comme un outil dans lequel l’élève devra

conserver toutes les traces intermédiaires. Il permettra à l’élève de suivre, organiser et planifier son

travail.

Phase 2: Travail de recherche

Les axes de recherche possibles :

=> Définir la Vitesse Maximale Aérobie (EPS, SVT)

Compétences travaillées : mettre en œuvre un protocole expérimental (domaine 4), mobiliser des

méthodes pour apprendre en s’appropriant le carnet de bord (domaine 2), pratiquer des langages par la

lecture et l'exploitation de données sous différentes formes (domaines 1, 4).

La Vitesse Ma imale Aérobie (VMA) est un indicateur de l’endurance d’une personne (l'endurance est la

capacité de maintenir dans le temps un effort à un certain niveau d'intensité). Pour la connaître, l’élève

peut réaliser des tests en EPS (test de cooper, test demi-cooper, test d’astrand…). Il est également

possible de réaliser une estimation indirecte de la VMA à partir du VO2max théorique qui est estimé en

utilisant le nomogramme d’Astrand (document ci-dessous) : après avoir déterminé son VO2ma , l’élève

peut calculer sa VMA à partir de la formule mathématique VO2max = VMA x 3.5 (cela peut également

être fait sur http://home.nordnet.fr/scharlet/calculs/vma.htm). La validité de cette formule doit être

discutée (quel est son domaine de validité?).

Les différences obtenues entre la VMA théorique (à partir du nomogramme d’Astrand) et les

VMA estimées à travers les tests EPS peuvent être discutées. Ainsi, on veillera à bien discuter la validité

de la modélisation mathématique qui parfois permet d’obtenir une VMA très différente de celles

obtenues par les tests en EPS. Cela montre que des erreurs de mesure ou le manque de rigueur lors de la

réalisation du protocole a des conséquences sur les résultats qui seront obtenus. Cela montre également

que les modélisations mathématiques ont des limites puisqu’elles ne permettent pas toujours

d'appréhender la réalité : la question du domaine de validité du modèle se pose.

Document : Le nomogramme d’Astrand (Extrait de Quelques aspects de physiologie appliquée à l’activité sportive,

Sciences de la Vie et de la Terre, Edition Nathan, 1993).

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=> Identifier ce qui influence l’endurance (SVT)

Compétences travaillées : pratiquer des langages par la lecture et l'exploitation de données sous

différentes formes (domaines 1, 4), mobiliser des méthodes pour apprendre en s’appropriant le carnet de

bord (domaine 2), pratiquer des démarches scientifiques (domaine 4).

Le Volume de dioxygène maximal consommé

(VO2ma ) est un indicateur de l’endurance. Pour connaître

ce qui influence l’endurance, les scientifiques mesurent et

comparent les VO2ma d’individus différents. Les mesures de

VO2ma d'individus sportifs et sédentaires d’âges différents

montrent que l’endurance est influencée par l'âge de la

personne et par son niveau d'entraînement : plus une

personne est sportive et plus l’endurance de la personne est

élevée.

Document : Evolution du VO2 max chez les femmes

adultes en fonction de l’âge (extrait du Manuel SVT 2nde Edition

Hatier (2010).

Même si les études portant sur la comparaison de jumeaux sont rares et souvent controversés

par l’échantillon d’individus souvent faible, des études (Prudhomme et coll., 1981) réalisées sur des

jumeau ont permis de montrer qu’il e istait des facteurs génétiques qui intervenaient dans l’endurance

d’une personne. Elles montrent qu’au bout de 20 semaines

d'entraînement, les augmentations de VO2max étaient

environ huit fois plus élevées entre des paires de jumeaux

différents qu’à l’intérieur d’une même paire. Cela montre

qu’il e iste une “héritabilité” de la capacité à augmenter ses

performances par l'entraînement : c'est donc la réponse à

l'entraînement qui a une part d’héritabilité. L’endurance

d’une personne est donc un caractère individuel qui est lié à

des facteurs héréditaires mais surtout à l'entraînement de

l’individu même si on ne peut pas identifier quelle est

précisément la part de l’héritabilité et quelle est la part de

l’environnement.

Document : Etude de l’héritabilité de

l’endurance.

=> Construire un projet de demi-fond (EPS, Mathématiques)

Compétences travaillées : chercher (domaines 2 et 4), représenter (domaines 2, 5), communiquer

(domaines 1 et 4), s’approprier les outils et méthodes pour apprendre (domaine 2).

L’élève réalise un projet pour son épreuve de demi-fond à partir de sa VMA. Pour cela il

réalise en mathématiques des simulations de distances à parcourir selon les différentes épreuves

de demi-fond possibles afin de sélectionner en fonction de ses performances le projet de demi-

fond qui lui est adapté.

=> Identifier et caractériser les variations de la fréquence cardiaque (SVT,

Mathématiques, EPS)

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Compétences travaillées : pratiquer des démarches scientifiques (SVT ; domaine 4), concevoir et mettre

en place un protocole expérimental (SVT ; domaine 4), pratiquer des langages par la lecture et

l'exploitation de données sous différentes formes (SVT ; domaines 1 et 4), mobiliser des méthodes pour

apprendre en s’appropriant le carnet de bord (domaine 2), s’approprier les méthodes et outils pour

apprendre (mathématiques ; domaine 2), représenter (mathématiques ; domaine 4), calculer

(mathématiques ; domaine 4), communiquer (mathématiques ; domaines 1, 3), apprendre à entretenir sa

santé par une activité physique régulière (EPS ; domaine 4).

Il est demandé au élèves de mettre en place une démarche scientifique afin d’identifier

et de caractériser les variations de la fréquence cardiaque lors d’un effort physique. Ils doivent

pour cela faire preuve d’imagination raisonnée et de créativité pour concevoir un protocole qui

permettra d’identifier les variations de la fréquence cardiaque lors d’un effort : réaliser des

mesures de fréquences cardiaques au repos, lors d’efforts d’intensités variées, lors d’efforts de

même intensité mais de durées variées et lors de la récupération. L’enseignant amènera l’élève à

faire preuve d’esprit critique en s’interrogeant sur l’importance de la taille de l'échantillon de

l’étude et de la nécessité que les individus aient réalisé un effort d’une même intensité (même

nombre de fle ions en un temps donné) si l’on souhaite pouvoir comparer leurs résultats. En

réalité, puisque les individus ne font pas la même taille ni la même masse, s’ils réalisent un

même nombre de fle ion en un même temps donné, l’intensité de l’effort ne sera pas

exactement le même : ce biais peut être discuté. Les élèves devront mettre en place avec rigueur

le protocole expérimental conçu, interpréter les résultats, tout en mobilisant leur esprit critique

si les résultats de certaines mesures paraissent aberrants. Ils pourront alors conclure que la

fréquence cardiaque au repos est comprise entre environ 40 et 70 battements par minute (bpm),

qu’elle augmente lors d’un effort physique (plus l’effort est intense et dure longtemps et plus la

fréquence cardiaque augmente).

Document : E trait d’une copie d’élève. L’élève a proposé un protocole pour identifier les

variations de la fréquence cardiaque lors d’un effort physique, protocole qu’il a mis en place.

=> Identifier la limite à l’augmentation de la fréquence cardiaque (SVT, mathématiques)

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Compétences travaillées : pratiquer des démarches scientifiques (SVT ; domaine 4),

modéliser (mathématiques ; domaine 4), représenter (mathématiques ; domaine 4).

Après avoir mis en évidence l'augmentation de la fréquence cardiaque lors d’un effort

physique et qu’il e iste une limite minimale à la fréquence cardiaque (fréquence cardiaque au

repos), les élèves peuvent s’interroger sur l’e istence d’une limite ma imale (est-ce qu’il existe

une limite à l'augmentation de la fréquence cardiaque ?).

La fréquence cardiaque ma imale ne pouvant pas être mesurée en classe (puisqu’il faut

réaliser un effort d’intensité trop importante), un document présentant des mesures de

fréquences cardiaques de plusieurs individus d’âges différents sera proposé. En réalisant un

traitement statistique des données et une représentation graphique, les élèves pourront

identifier qu’il est possible de modéliser l’évolution de la fréquence cardiaque ma imale en

fonction de l’âge (démarche inductive). A partir de cette modélisation mathématique, l’élève

pourra déterminer à partir de son âge sa fréquence cardiaque maximale théorique (démarche

déductive).

Document : A gauche, les fréquences cardiaques maximales de 16 personnes, à droite la

représentation des données sous forme graphique ainsi que la courbe de tendance qui permet de

déterminer leur fréquence cardiaque maximale à partir de leur âge.

=> Identifier les variations de la fréquence cardiaque comme un indicateur de l’effort physique

(SVT, Mathématiques, EPS).

Compétences travaillées : calculer (mathématiques, domaine 4), apprendre à entretenir

sa santé par une activité physique régulière (domaine 2), pratiquer des démarches scientifiques

(domaine 4).

A partir des résultats de mesures de fréquences cardiaques, l’élève peut identifier la

fréquence cardiaque comme un paramètre physiologique qui varie entre une valeur minimale

(fréquence cardiaque au repos) et une valeur maximale (fréquence cardiaque maximale). Sa

variation entre ces deu limites est liée à l’intensité de l’effort : la fréquence cardiaque est donc

un indicateur de l’effort physique que l’on peut suivre afin d’avoir une idée de l’effort réalisé. Ces

variations peuvent être mises en lien avec la vente dans le commerce de cardiofréquencemètres

pour les personnes sportives.

Des documents ressources complémentaires permettront d’identifier le système nerveu

comme le centre qui contrôle ces variations.

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=> Identifier l’origine des différences individuelles de la variation de la fréquence cardiaque

(SVT)

Compétences travaillées : pratiquer des démarches scientifiques (domaine 4), pratiquer

des langages (domaines 1, 4).

L’élève pourra faire preuve de curiosité en s'interrogeant sur les différences individuelles

des fréquences cardiaques au repos et à l’effort. Les élèves pourront utiliser les résultats qu’ils

avaient obtenus suite à la mise en place du protocole expérimental mais également les résultats

des élèves de plusieurs classes afin d’en réaliser un traitement statistique plus important. Des

documents ressources complémentaires seront proposés comme une étude qui compare les

fréquences cardiaques au repos et à l’effort d’individus sportifs et d’individus sédentaires.

L’ensemble des ces données sera interprété avec rigueur afin d’identifier l’influence de

l'environnement (à travers l'entraînement) sur la fréquence cardiaque au repos et à l’effort. Cela

peut être mis en lien avec une étude qui compare le volume d’éjection systolique du cœur de

personnes sédentaires et des personnes sportives au repos et à l’effort (document ci-dessous)

afin de montrer que l'entraînement permet d’augmenter le volume d’éjection systolique ce qui a

une influence sur la fréquence cardiaque au repos et à l’effort. ne dissection d’un cœur

permettra d’illustrer à quoi correspond le volume de sang éjecté et de faire le lien avec

l'augmentation du débit cardiaque nécessaire pour répondre à l’augmentation des besoins des

organes pour produire l'énergie nécessaire à leur fonctionnement.

Document : Evolution du rythme cardiaque et du volume de sang éjecté par le cœur lors de sa

contraction au repos ou lors d’un effort intense chez une personne non entraînée et chez un sportif

entraîné (Extrait de Manuel SVT cycle 4 édition Hatier).

=> Réalisation du cahier des charges qui indique les fonctions et les contraintes auxquelles doit

répondre le cardiofréquencemètre (Technologie).

Compétences travaillées : concevoir des objets et systèmes techniques (domaine 4),

chercher, raisonner, représenter, communiquer (domaine 4), pratiquer des démarches

technologiques (domaine 4)

L’élève pourra commencer par e primer son besoin qui est de réussir une épreuve de

demi-fond. Il devra être le plus performant possible tout en préservant sa santé et sans dépasser

les limites de son organisme. Pour ce faire, l’élève a besoin d’avoir un système technique qui

permet de mesurer sa fréquence cardiaque (cardiofréquencemètre). Cet objet devra répondre à

des fonctions et des contraintes qui devront être établies: pouvoir mesurer la fréquence

cardiaque, être autonome en énergie, être léger, communiquer avec le Smartphone, afficher les

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valeurs de la fréquence cardiaque, informer le sportif sur l’intensité de son effort , être fixé au

bras du sportif...

Pour chaque fonction et contrainte, l’élève identifie des critères et des niveau qui fi ent la

performance que l’objet doit atteindre.

Fonctions (F) et contraintes (C) Critères Niveaux

F1 Mesurer et afficher la valeur de la fréquence cardiaque du sportif

Fréquence d’actualisation de l’affichage de la fréquence cardiaque

Au moins un fois par seconde

F2 Informer le sportif sur l’intensité de son effort

3 seuils: faible, modéré et intense

- En dessous de 50% de la FCmax

- entre 50% et 80% de la FCmax

- supérieur à 80% de la FCmax

C1 Etre léger Masse Moins de 100 grammes

C2 Etre autonome en énergie Autonomie 2 heures

C3 Etre fixé au bras du coureur Taille de la fixation Au moins 25 cm pour faire le tour du bras

C4 Ne pas gêner le coureur Dimensions Longueur, largeur et hauteur

C5 Ne pas être dangereux Tension électrique 5V maximum

C6 Être esthétique Formes Formes modernes

=> Conception d’un o jet technique qui permet de suivre la fréquence cardiaque au cours du

temps (Technologie).

Compétences travaillées : communiquer (domaine 1), concevoir des objets et systèmes

techniques (domaine 4), chercher, raisonner, représenter, communiquer (domaine 4), pratiquer

des démarches technologiques (domaine 4), mobiliser des outils numériques (domaine 2).

Les élèves pourront réaliser le schéma fonctionnel du cardiofréquencemètre afin de lister

ses principaux composants. Ils pourront ensuite réaliser une veille technologique qui consiste à

rechercher les différentes solutions techniques qui permettent de mesurer la fréquence

cardiaque, d’alimenter le système afin qu’il soit autonome en énergie ou de les alerter

visuellement lors du dépassement de la fréquence cardiaque au-dessus de certains seuils. Cette

veille aboutira sur une revue de projet à partir de laquelle sera effectué le choix du capteur de

fréquence cardiaque, du type d’alimentation, de la technologie employée pour produire des

signaux lumineux de différentes couleurs.

Les élèves pourront imaginer des formes du boîtier qui contiendra la carte arduino Nano,

le capteur de fréquence cardiaque et les DEL RGB (qui permettront d’afficher la plage de

fréquence cardiaque du sportif sous la forme de différentes couleurs). Une démarche

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d’innovation et de créativité intégrant une dimension design permettra de déterminer les formes

les mieu adaptées à l’usage et au contraintes d’ergonomie et de sécurité.

Ils pourront ensuite réaliser la modélisation 3D de l’objet mais devront respecter le

cahier des charges établi. La représentation 3D permet de définir avec précision les formes et les

dimensions du cardiofréquencemètre. Elle est réalisée grâce à un logiciel de conception assistée

par ordinateur (Sketchup Make ou Onshape) qui permet de dessiner des esquisses ou croquis

auxquels peuvent être ajouté ou supprimé de la matière.

=> Réalisation du cardiofréquencemètre (Technologie).

Compétences travaillées : calculer (mathématiques; domaine 4), modéliser

(mathématiques; domaine 4), pratiquer des démarches technologiques (technologie; domaine

4), concevoir, créer, réaliser (technologie; domaine 4), mobiliser des outils numériques

(technologie ; domaine 2), appliquer systématiquement et de manière autonome les règles de

sécurité (domaine 4).

Un procédé de prototypage est choisi en fonction de la forme et des dimensions de la

pièce à réaliser, par e emple, l’élève sera amené à prendre en compte la résistance des pièces.

Les élèves devront se questionner sur le matériau utilisé qui devra lui aussi respecter le cahier

des charges. Le matériau doit être compatible avec la machine de prototypage. La fabrication

sera l’occasion d’aborder l’utilisation des machines en toute sécurité, en minimisant la quantité

de matériau utilisée afin de limiter l’impact sur l’environnement (simulation de la quantité de

matériau utilisés). La validation du prototypage de la structure de l’objet permettra de vérifier

le respect des dimensions et des contraintes esthétiques.

=> Programmation du cardiofréquencemètre (Technologie, Mathématiques, SVT).

Compétences travaillées : comprendre, s’e primer en utilisant les langages

mathématiques, scientifiques et informatiques (domaine 1), chercher, raisonner, modéliser

(domaine 2), concevoir des objets simples, des éléments de programme informatique, des

protocoles biotechnologiques en réponse à un besoin (technologie; domaine 4).

La formule permettant de calculer la fréquence cardiaque à partir des impulsions

cardiaques au cours du temps est construite en cours de Mathématiques. Elle sera utilisée en

Technologie afin de réaliser le programme Ardublock, ce qui permettra d’aborder la notion de

variable dans un programme informatique. Une application réalisée sur App inventor permettra

d’afficher la valeur de la fréquence cardiaque, de la représenter au cours du temps sous la forme

d’un graphique et de créer un fichier CSV qui regroupera les valeurs de fréquences cardiaques au

cours du temps. Ces données pourront être utilisées ensuite en mathématiques afin de créer des

diagrammes puis en SVT afin de les interpréter.

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Document : E emple d’une partie du programme réalisé sur App Inventor permettant d’afficher la valeur de la fréquence cardiaque.

La deuxième partie du programme Ardublock consistera à afficher une couleur différente

(grâce aux DL RGB) en fonction de la plage de fréquences cardiaques. Cela permet au sportif

d’identifier rapidement s’il réalise un effort physique d’intensité faible, modéré ou intense. La

notion de boucle conditionnelle sera abordée.

Document : Exemple de programme réalisé sur Ardublock permettant de calculer la fréquence cardiaque à

partir de l’acquisition des impulsions cardiaques au cours du temps et d’afficher une couleur différente grâce au

DEL RGB en fonction de l’intensité de l’effort.

=> Réaliser un programme d’entraînement en suivant sa fréquence cardiaque (SVT, EPS).

Compétences travaillées : concevoir, créer, réaliser (SVT ; domaine 4), utiliser des outils et

mobiliser des méthodes pour apprendre (SVT ; domaine 2), utiliser des outils numériques (SVT ;

domaine 2), apprendre à entretenir sa santé par une activité physique régulière (EPS, domaine 4),

s’approprier seul ou à plusieurs, les méthodes et outils pour apprendre (EPS, domaine 2).

En utilisant le cardiofréquencemètre réalisé, l’élève pourra suivre sa fréquence cardiaque

lors des entrainements. En effet, puisqu’il connaîtra sa fréquence cardiaque ma imale, il pourra

estimer le niveau de son entraînement à partir de sa fréquence cardiaque qu’il mesurera. Par

exemple, un élève de 14 ans qui aura estimé sa fréquence cardiaque maximale à environ 205

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battements par minute réalisera un effort d’un niveau d’intensité léger si sa fréquence cardiaque

est de 50% de 205 bpm soit environ 103 bpm. Dans ce cas, l’effet de l'entraînement visé doit être

l'échauffement (voir ci-dessous le tableau mettant en lien le niveau d'intensité et les effets de

l'entraînement). Document : Choisir sa fréquence cardiaque en fonction de l’intensité de l’entraînement.

4. Production(s) finale(s) envisagée(s) au regard des compétences disciplinaires et transversales

travaillées

L’élève pourra être évalué sur :

- les productions réalisées dans le cadre des enseignements disciplinaires :

- sur le projet de demi-fond conçu en EPS : construire et mettre en œuvre des projets

d’apprentissage individuels ou collectifs (s’approprier seul ou à plusieurs par la pratique

les méthodes et outils pour apprendre (domaine 2).

- sur la réalisation de l’épreuve de demi-fond (produire une performance optimale,

mesurable à une échéance donnée) ;

- sur l’objet technique produit en technologie (concevoir, créer, réaliser et mettre en

oeuvre une démarche technologique) ;

- sur les programmes produits en mathématiques et technologie (communiquer (domaine

1 et 3), modéliser (domaines 1, 2 et 3).

- sur le carnet de bord qui doit permettre de retracer les différentes étapes du projet, ce qui a été

fait et appris (e pliquer à l’écrit sa démarche, son raisonnement, un protocole (pratiquer des

langages, domaine 1) et apprendre à organiser son travail (utiliser des outils et mobiliser des

méthodes pour apprendre, domaine 2)).

- sur la présentation à l’oral de la démarche de projet menée à travers une soutenance orale

(pratiquer des langages, domaine 2).

5. Usage des outils numériques

● Réalisation d’un tableau sur un tableur.

● Utilisation du logiciel Arduino avec Ardublock.

● Création d’une application sur App Inventor.

● Utilisation du logiciel Scratch.

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Annexe 1 : le carnet de bord du « scientifique sportif », un outil pour l’élève pour

apprendre à organiser, planifier et garder une trace de son travail.

Compétences travaillées :

- Utiliser des outils et mobiliser des méthodes pour apprendre (domaine 2) : - identifier et choisir les ou ls et les techniques pour garder trace de ses recherches (à l’oral et à

l’écrit). - Pratiquer des langages (domaine 1,4) :

- représenter des données sous di érentes formes, passer d’une représenta on à une autre et choisir celle qui est adaptée à la situa on de travail.

Le carnet de bord correspond à un journal des apprentissages qui a pour objectif de faire “raconter” au

élèves ce qu’ils font afin de favoriser “une conscien sa on de ses processus intellectuels et le développement

d’une capacité ré exive” (Enseigner plus e plicitement (2016), DGESCO). Le carnet de bord est également un outil

pour aider l’élève à organiser et planifier son travail et lui permettre de garder une trace de la démarche menée

en vue de sa présentation lors d’une soutenance orale.

- Les consignes données à l’élève pour la réalisation du carnet de bord

NOM : Prénom : Classe :

« Carnet de bord du scientifique sportif » Critères de réussite :

● A la fin de chaque séance, j’ai indiqué : - ce que je cherchais - ce que j’ai fait - ce que j’ai compris - les questions nouvelles qui sont apparues ou les questions qui sont restées en suspens - ce que je dois faire la séance suivante

● J’ai défini le vocabulaire nouveau. ● J’ai distingué les écrits « pour moi » des écrits pour communiquer avec les autres. ● J’ai diversifié ma prise de notes : succession de mots-clefs (utilisés pour une recherche sur internet, par

e emple), dessins, schémas légendés, phrases complètes, liens, ouvrages consultés…

- E emples d’un carnet de bord de deu élèves.

Dans les carnets de bord des élèves présentés ci-

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dessus, on remarque que l’élève de gauche est dans la description de la tâche sans e pliquer les objectifs

d’apprentissages (il est dans du “faire” sans but) alors que l’élève de droite e plique ce qu’il cherchait et ce qu’il a

appris, il est passé de ce qu’il a vécu à ce qu’il a appris : il a construit un savoir qui a du sens.

- L’évaluation du carnet de bord porte sur : - la complétude : le carnet de bord est complété de manière régulière.

- la pertinence : les informations conservées sont pertinentes et permettent de

mettre en évidence les différentes étapes du projet et ce qui est appris par

l’élève.

- la cohérence du contenu en lien avec le travail réalisé, les objectifs

d’apprentissage et les concepts scientifiques construits.

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Annexe 2 : évaluation de la soutenance orale

Les consignes données à l’élève pour la soutenance du projet:

Vous devez réaliser une soutenance du projet « Demi-fond » mené en EPS, Mathématiques, Technologie et

Sciences de la Vie et de la Terre.

Lors de cette soutenance, vous devrez exposer à l’oral la démarche qui vous a permis de répondre à la

problématique du projet ainsi que les compétences et connaissances acquises grâce à ce projet.

- Le contenu de la soutenance :

Lors de la soutenance, vous devrez :

● expliquer ce que vous avez fait dans chaque discipline dans le cadre du projet ; ● expliquer ce que vous avez appris (les connaissances et compétences que vous avez acquises dans les

différentes disciplines)

● présenter ce que vous avez réalisé (le carnet de bord, le projet EPS…)

● porter un regard critique sur le travail que vous avez mené (ce que vous avez réussi, ce que vous avez

moins réussi, ce que vous auriez fait différemment…).

Remarques :

● Vous devrez venir avec votre carnet du scientifique-sportif lors de la soutenance orale.

● Vous devrez utiliser un diaporama comme support pour votre présentation.

● Vous pourrez présenter vos productions (compte-rendu d’expériences, projet de course, programme

Ardublock, cardiofréquencemètre…)

- L’évaluation :

L’évaluation portera sur la maîtrise de votre projet et sur votre prestation orale.

- Durée de l’épreuve :

- Dans le cas d’une présentation individuelle : présentation de 5 minutes suivie d’un entretien de 10

minutes avec le jury.

Dans le cas d’une présentation en équipe (maximum 3 personnes) : 10 minutes d’exposé suivie de 15 minutes

d’entretien avec le jury

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La fiche d’évaluation de la soutenance orale

Nom : ………………………..………. Note totale : /100 Prénom : ………………………..……

Classe : ………………………..……..

Autres membres de l’équipe : ………………………..…… et ………………………..……

- Evaluation de la maîtrise de l’expression orale

Très bonne maîtrise de l’expression orale

L’élève :

● s’exprime de manière continue ● respecte les formes d’un oral codifié

(pas de langage familier, s’exprime clairement et distinctement)

● apporte des explications compréhensibles,

● ne lit pas ses notes, ne récite pas un texte appris par cœur,

● exprime ses impressions et émotions, ● emploie un vocabulaire avec justesse, ● reformule lorsqu’il y a des

incompréhensions.

Maîtrise fragile à satisfaisante

L’élève:

● ne s’exprime pas toujours de manière continue

● apporte des explications qui ne sont pas toujours compréhensibles

● lit ses notes ou récite un texte appris.

Expression orale non maîtrisée

L’élève :

● S’exprime de manière non continue,

● utilise un langage familier, ● a une expression non claire, ● apporte des explications

difficilement compréhensibles, ● lit ses notes ou récite un texte

appris.

Commentaires sur la maîtrise de l’expression orale:

- Evaluation de la maîtrise du sujet présenté

Très bonne maîtrise du sujet L’élève :

● maîtrise le sujet du projet qu’il a mené ; ● sait expliquer les différentes étapes du

projet ; ● sait expliquer les différentes objectifs du

projet, ce qu’il a appris et ce qu’il a fait ; ● prend du recul sur le projet mené et

propose une analyse critique de son travail ;

● a identifié les liens et l’apport des différentes disciplines dans la résolution de la problématique.

Maîtrise fragile à satisfaisante

L’élève : ● sait expliquer quelques

éléments du projet mais ne parvient pas à l’expliquer dans sa globalité ;

● n’explique pas ce qu’il a appris, et ne justifie pas les choix qu’il a fait;

● n’arrive pas à identifier les liens entre les différentes disciplines.

Maîtrise insuffisante du sujet

L’élève : ● n’arrive pas à expliquer les points

clefs du projet ; ● n’arrive pas à expliquer ce qu’il a

fait et appris dans le cadre du projet.

Commentaires sur la maîtrise du sujet :

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Annexe 3 : progression possible en technologie

Activités réalisables Notions construites Production attendue Critères de réussite

Veille technologique afin

de rechercher des idées

pour mesurer sa

fréquence cardiaque.

Réalisation de croquis du

boîtier.

Présentation orale des solutions.

Fonction technique, solution technique, veille technologique

Un compte-rendu présentant les différentes solutions techniques

Schéma fonctionnel correctement complété (fonction technique ou

solution technique)

3 solutions techniques trouvées pour mesurer le rythme cardiaque

Description technique de chaque solution

Description esthétique de chaque solution

Croquis du boîtier

Présentation orale des idées et des recherches.

Modélisation 3D du

boitier

Fabrication à l’aide de

l’imprimante 3D du

boitier

Maquette numérique, procédé de réalisation, contrôle de conformité par rapport au cahier des charges (niveau de performance)

Fabrication du boîtier Assemblage de tous les éléments

Le boîtier respecte les contraintes du cahier des charges. Le modèle 3D présente un aspect design bien défini. Le protocole d’impression a bien été suivi pour lancer l’impression 3D.

Programmation de la carte arduino et de l’application app inventor pour afficher la valeur de la fréquence cardiaque dans l’application sur téléphone et pour faire varier la couleur des DEL en fonction de la fréquence cardiaque.

Algorithme, conditions, variable.

Programme ardublock et app inventor

La fréquence cardiaque s’affiche correctement dans l’application. Les DEL RGB varie de couleur en fonction de la fréquence cardiaque.

Annexe 4 : utilisation de Scratch en mathématiques